(57)【要約】【課題】液体燃料の流れを阻害する流路の曲線部の構造を改良することによって、燃料電池の起電部の各部に対する燃料供給量や燃料供給時間を均等化する。【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体を備える起電部と、液体燃料を収容する燃料収容部とを具備する。膜電極接合体の燃料極には、燃料収容部と接続された燃料注入口と直線部と曲線部とで構成された燃料流路を介して燃料注入口と接続された複数の燃料排出口とを有する燃料供給部から燃料が供給される。燃料流路の曲線部２７は少なくとも直線部２５に接続された部分を含む区間２９がクロソイド曲線で構成されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体を備える起電部と、
液体燃料を収容する燃料収容部と、
前記燃料収容部と接続された燃料注入口と、直線部と曲線部とで構成された燃料流路を介して前記燃料注入口と接続された複数の燃料排出口とを有し、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部とを具備し、
前記曲線部の少なくとも前記直線部に接続された部分を含む区間の流路形状がクロソイド曲線で構成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、
前記曲線部は前記直線部に接続された部分を含むクロソイド曲線区間と曲率半径が一定の単一円弧区間とを有し、前記クロソイド曲線区間の曲率半径をＲ、曲線長をＬとしたとき、前記クロソイド曲線区間は曲率（１／Ｒ）が前記直線部との接続部分の曲率から前記単一円弧区間の曲率までＣ・Ｌ（ここで、Ｃは０〜１の範囲の任意の定数である）に基づいて変化していることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池において、
さらに、前記燃料収容部と前記燃料供給部との間に介在された燃料供給ポンプを具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料電池において、
前記燃料供給部は前記燃料注入口と前記複数の燃料排出口とを有する燃料分配板を備え、前記燃料分配板はその内部に前記燃料流路として設けられた細管を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池において、
前記細管は分岐部を有し、前記燃料注入口から前記複数の燃料排出口に向けて前記分岐部で順に分岐されていることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液体燃料を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源や充電器として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。
【０００３】
パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を備える起電部を、燃料収容部上に配置した構造が適用されている。このような構造では電池出力の制御性を高めることが難しいことから、ＤＭＦＣの起電部と燃料収容部とを流路を介して接続したり、さらに燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給することが提案されている（特許文献１〜２参照）。燃料収容部から流路を介して起電部に燃料を供給する場合、起電部の全面に対して燃料を均等に供給することが求められる。
【０００４】
そこで、燃料注入口と複数の燃料排出口とを流路（配管）で接続した流路板を用いることが検討されている。起電部の全面に対して燃料を均等に供給する上で、流路板内の配管は途中で複数に分岐され、そのような配管の終端部にそれぞれ燃料排出口が設けられる。流路板の燃料注入口から複数の燃料排出口までの距離をそれぞれ均一化し、さらに燃料排出口の数を多くすることによって、起電部に対する燃料の均等供給性（供給量や供給時間の均等化）を高めることができる。ただし、限られた面積内で流路を設定しなければならないため、流路（配管）を直線だけでなく曲線も組合せて構成する必要が生じる。
【０００５】
しかし、流路（配管）の曲線部分は液体燃料の流れを阻害する要因となる。特に、流路板を小型のＤＭＦＣに適用する場合、内部配管の管径自体も小さくする必要があるため、曲線部分で液体燃料の流れが滞りやすくなる。さらに、燃料の供給時間を短縮するためには液体燃料の供給速度を高める必要があるが、そのような場合には配管の曲線部分で液体燃料の速度律速が生じやすくなる。このように、液体燃料の流れが阻害されると起電部（燃料極）の全面に対する燃料の均等供給に支障を来たすことになる。
【特許文献１】特表２００５−５１８６４６号公報
【特許文献２】特開２００６−０８５９５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、液体燃料の流れを阻害する流路の曲線部の構造を改良することによって、起電部の各部に対する燃料供給量や燃料供給時間を均等化し、起電部全面での発電反応の効率化を図った燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の態様に係る燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体を備える起電部と、液体燃料を収容する燃料収容部と、前記燃料収容部と接続された燃料注入口と、直線部と曲線部とで構成された燃料流路を介して前記燃料注入口と接続された複数の燃料排出口とを有し、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部とを具備し、前記曲線部の少なくとも前記直線部に接続された部分を含む区間の流路形状がクロソイド曲線で構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の態様に係る燃料電池は、燃料流路の曲線部の流路形状にクロソイド曲線を適用しているため、曲線部で燃料をスムーズに流すことができる。従って、起電部の各部に対する燃料供給量や燃料供給時間が均一化され、起電部全体で効率的に発電反応を生起することができる。これによって、燃料電池の出力特性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。図１に示す燃料電池１は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を備える起電部２と、起電部２に燃料を供給する燃料供給部３を備える燃料供給機構４と、液体燃料を収容する燃料収容部５とから主として構成されている。
【００１０】
起電部２は、アノード触媒層６とアノードガス拡散層７とを有するアノード（燃料極）８と、カソード触媒層９とカソードガス拡散層１０とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１１と、アノード触媒層６とカソード触媒層９とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１２とから構成される膜電極接合体（ＭＥＡ）１３を備えている。
【００１１】
アノード触媒層６やカソード触媒層９に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層６にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層９にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料等の導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００１２】
アノード触媒層６に積層されるアノードガス拡散層７は、アノード触媒層６に燃料を均一に供給すると同時に、アノード触媒層６の集電機能を有するものである。カソード触媒層９に積層されるカソードガス拡散層１０は、カソード触媒層９に酸化剤を均一に供給すると同時に、カソード触媒層９の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層７やカソードガス拡散層１０は、燃料や空気を流通させることが可能な導電性の多孔質基材、例えばカーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質基材で構成される。
【００１３】
電解質膜１２はプロトン伝導性材料で構成されている。電解質膜１２を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１１はこれらの材料に限られるものではない。
【００１４】
起電部２はＭＥＡ１３をアノード集電体１４とカソード集電体１５とで挟み込むことで構成されている。アノード集電体１４はアノードガス拡散層７と積層され、カソード集電体１５はカソードガス拡散層１０と積層される。集電体１４、１５は燃料や空気を流通させる貫通孔を有している。集電体１４、１５にはＡｕやＮｉ等の導電性金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）や箔体、あるいはステンレス鋼のような導電性金属材料にＡｕ等の良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。起電部２はＯリング等のシール部材１６でシールされており、ＭＥＡ１３からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
【００１５】
起電部２は燃料供給部３上に配置されている。起電部２を構成するＭＥＡ１３のアノード８側には燃料供給部３が配置される。燃料供給部３はアノード８の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する、すなわちアノード８の全面に対して燃料を分配して供給するものである。燃料供給部３は燃料配管１７を介して燃料収容部５と接続されている。燃料供給部３には燃料収容部５から燃料配管１７を介して液体燃料が導入される。燃料供給部３と燃料収容部５との接続体は独立した配管に限られるものではなく、例えば燃料供給部３と燃料収容部５とを積層するような場合の接続流路等であってもよい。
【００１６】
燃料供給部３は図２および図３に示すように、液体燃料が燃料収容部５から燃料配管１７を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口１８と、液体燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口１９とを有する燃料分配板（流路板）２０で構成されている。燃料分配板２０の内部には燃料流路（配管）として機能する細管２１が設けられている。細管２１の一端（始端部）には燃料注入口１８が設けられている。細管２１は途中で複数に分岐しており、これら分岐した細管２１の各終端部に燃料排出口１９が設けられている。
【００１７】
燃料注入口１８から燃料分配板２０内に導入された液体燃料は複数に分岐した細管２１を介して複数の燃料排出口１９に導かれ、その気化成分（燃料）がＭＥＡ１３のアノード８に供給される。ＭＥＡ１３と燃料分配板２０との間には燃料拡散室（燃料拡散空間）を設けてもよい。また、燃料拡散室に代えて燃料拡散用の多孔質体等をＭＥＡ１３と燃料分配板２０との間に配置することも有効である。拡散用多孔質体の構成材料としては各種樹脂が使用され、多孔質樹脂シート（発泡ポリエチレンシートや発泡ポリウレタンシート等）、樹脂不織布、樹脂織布等を用いることができる。
【００１８】
燃料排出口１９は起電部２（ＭＥＡ１３）の全体に対して燃料を均等に供給するように、燃料分配板２０のアノード８と接する面に複数設けられている。燃料排出口１９の個数は複数であればよいが、ＭＥＡ１３の面内における各部への燃料供給量を均等化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ２の燃料排出口１９が存在するように形成することが好ましい。燃料排出口１９の個数が０．１個／ｃｍ２未満であると、ＭＥＡ１３の全面に対する燃料供給量を十分に均等化することができないおそれがある。燃料排出口１９の個数は１０個／ｃｍ２を超えて形成してもそれ以上の効果が得られないだけでなく、細管２１による流路設計が複雑になって、液体燃料の流れが損なわれるおそれがある。
【００１９】
細管２１は燃料分配板２０の内部に形成された貫通孔であることが好ましく、その内径は０．０５〜５ｍｍの範囲であることが好ましい。細管２１の内径が０．０５ｍｍ未満であると液体燃料の流れが阻害されるおそれがある。内径が大きい細管２１は液体燃料の流れをスムーズにする点に対しては有効であるものの、それだけ流路の形成面積が増大することから、燃料注入口１８から複数の燃料排出口１９までの流路長の調整（均一化）等が困難になるおそれがある。細管２１の内径は５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
燃料分配板２０の内部に設けられた細管２１は分岐部を有し、燃料注入口１８から複数の燃料排出口１９に向けて分岐部で順に分岐されている。細管２１の分岐部は圧力損失を抑制するように、分岐後の細管断面積が分岐前の細管断面積以下となるように設定することが好ましい。燃料注入口１８に接続された細管２１は、例えば最初の分岐部で４つに分岐され、さらに複数の分岐部で分岐を繰り返して燃料排出口１９に接続される。細管２１の分岐回数は燃料排出口１９の個数や燃料分配板２０の面積等に応じて適宜設定される。
【００２１】
細管２１の分岐は、複数の燃料排出口１９を燃料注入口１８にそれぞれ接続すると共に、燃料注入口１８から複数の燃料排出口１９までの距離を等しくするために実施されている。さらに、細管２１には液体燃料をスムーズに流すことが可能な流路形状が求められる。このような条件を満足させる上で、細管２１による流路形状は直線部と曲線部とを組合せて構成されている。特に、細管２１の曲線部は液体燃料をスムーズに流すような流路形状、すなわち直線部と曲線部との接続部で液体燃料に速度律速を生じさせないような流路形状を有することが好ましい。細管２１の具体的な流路形状は後に詳述する。
【００２２】
このような細管２１を有する燃料分配板２０を燃料供給部３として適用することによって、複数の燃料排出口１９に対する燃料の供給量や供給時間等を均等化することができる。従って、ＭＥＡ１３の全面に対して燃料を均等に供給し、ＭＥＡ１３全体で効率的に発電反応を生起することが可能となる。これによって、燃料電池１の出力特性を向上させることができる。なお、燃料供給部３は燃料流路として機能する燃料流通溝を有する流路板と燃料流通溝の開口部を覆うように配置される拡散板とで構成してもよい。この場合、拡散板に燃料排出口となる貫通孔が設けられる。
【００２３】
そして、燃料供給部３上に起電部２と保湿層２２とを積層し、その上から金属製（例えばステンレス製）のカバープレート２３を被せて全体を保持することによって、燃料電池（ＤＭＦＣ）１の発電ユニットが構成される。保湿層２２はカソード触媒層９で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層９への空気の均一拡散を促進するものである。保湿層２２は保湿性を有する多孔質部材からなり、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン等からなる樹脂製多孔質板が用いられる。カバープレート２３は空気導入用の開口部２３ａを有している。
【００２４】
燃料供給部３は上述したように燃料配管１７を介して燃料収容部５と接続されている。燃料収容部５にはＭＥＡ１３に応じた液体燃料が収容される。液体燃料としては各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料はこれに限られるものではなく、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。
【００２５】
流路１７にはポンプ２４が介在されている。ポンプ２４は燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部５から燃料供給部３に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部３からＭＥＡ１３に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部５に戻されることはない。燃料電池１は燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものである。さらに、液体燃料の供給にポンプ２４を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。この実施形態の燃料電池１はセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。
【００２６】
ポンプ２４の種類は特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。燃料電池１においては、ポンプ２４を用いて燃料収容部５から燃料供給部３に液体燃料が間欠的に送液される。ポンプ２４の運転動作は、例えば燃料電池１の出力、温度情報、電力供給先である電子機器の運転情報等に基づいて制御される。
【００２７】
ポンプ２４の送液能力は燃料電池１の主たる対象物が小型電子機器であるため、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲であることが好ましい。送液能力が１ｍＬ／分を超えると一度に送液される液体燃料の量が多くなりすぎて、全運転期間に占めるポンプ２４の停止時間が長くなる。このため、ＭＥＡ１３への燃料の供給量の変動が大きくなり、その結果として出力の変動が大きくなる。ポンプ２４の送液能力が１０μＬ／分未満であると、装置立ち上げ時（起動時）のように燃料の消費量が増える際に供給能力不足を招くおそれがある。ポンプ３１の送液能力は１０〜２００μＬ／分の範囲であることがより好ましい。
【００２８】
燃料収容部５から燃料供給部３に液体燃料を送ることによって、燃料分配板２０の複数の燃料排出口１９から燃料が放出される。燃料供給部３から放出された燃料は、ＭＥＡ１３のアノード（燃料極）８に供給される。ＭＥＡ１３内において、燃料はアノードガス拡散層７を拡散してアノード触媒層６に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層６で下記の式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層９で生成した水や電解質膜１２中の水をメタノールと反応させて式（１）の内部改質反応を生起させる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …（１）
【００２９】
この反応で生成した電子（ｅ−）は集電体１４を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、集電体１５を経由してカソード（空気極）１１に導かれる。式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ＋）は電解質膜１２を経てカソード１１に導かれる。カソード１１には酸化剤として空気が供給される。カソード１１に到達した電子（ｅ−）とプロトン（Ｈ＋）は、カソード触媒層９で空気中の酸素と下記の式（２）にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
６ｅ−＋６Ｈ＋＋（３／２）Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ  …（２）
【００３０】
この実施形態の燃料電池１において、起電部２の性能を活かすためには起電部２（ＭＥＡ１３）の全面に対して均等に燃料を供給する必要がある。このためには燃料分配板２０の燃料注入口１８に導入された液体燃料を複数の燃料排出口１９に対して均等にかつスムーズに流す必要がある。そこで、燃料電池１では燃料分配板２０内の細管２１を分岐させつつ直線状流路（直線部）間を曲線状流路（曲線部）で接続することによって、燃料注入口１８から各燃料排出口１９までの距離を均一化している。
【００３１】
図４は図３のＡ部を拡大した図であり、直線部と曲線部とで構成された細管（燃料流路）２１の一部を示すものである。細管２１の直線部２５Ａは分岐部２６Ａで２つに分岐され、それぞれ曲線部２７Ａ、２７Ｂを介して直線部２５Ｂ、２５Ｃに接続される。さらに、直線部２５Ｂは分岐部２６Ｂで２つに分岐され、それぞれ曲線部２７Ｃ、２７Ｄを介して直線部２５Ｄ、２５Ｅに接続される。直線部２５Ｃも同様であり、分岐部２６Ｃで２つに分岐された後に曲線部２７Ｅ、２７Ｆを介して直線部２５Ｆ、２５Ｇに接続される。直線部２５Ｄ〜２５Ｇはそれぞれ燃料排出口１９Ａ〜１９Ｄに接続されている。
【００３２】
このような流路形状の配管を構成する場合、通常は直線部間を曲率半径が一定の曲線部（単一円弧状曲線部）で接続する。配管の曲線部における曲率半径が大きい場合や配管の管径が大きい場合、液体燃料の流れが曲線部で阻害させることはない。しかし、配管の曲線部を大きな曲率半径で形成することができない場合、さらに配管の管径を十分に大きくすることができない場合には、直線部と曲線部との繋ぎ目部分が液体燃料の流れを阻害する要因となり、配管（細管２１）内に液体燃料をスムーズに流すことができない。
【００３３】
すなわち、曲率半径（Ｒ）が一定の曲線部を適用した場合、繋ぎ目部分では直線部の曲率（零）から曲線部の曲率（１／Ｒ）に瞬時に変わることになる。例えば、配管内を流れる液体燃料を車に見立てたとすると、曲線部を走るのに必要なハンドルの角度を直線部と曲線部との繋ぎ目部分で一瞬の間に調整する（ハンドルを切る）必要が生じることになる。この場合、ハンドルの角度は曲線部の曲率に相当する。このようなことから、曲率半径が一定の曲線部を適用した場合には、配管内を流れる液体燃料の速度律速が繋ぎ目部分で発生し、液体燃料をスムーズに流すことができなくなる。
【００３４】
特に、燃料分配板２０内に燃料排出口１９を密に形成する（例えば燃料排出口１９の形成密度が２個／ｃｍ２以上）ために、細管（配管）２１の多数回にわたって分岐させる（例えば分岐数が５０以上）させると共に、燃料分配板２０の面積的制約から細管２１の曲線部２７の曲率半径を１．５ｍｍ以下にしかできない場合、さらに管径を０．５ｍｍ以下にするような場合には、曲線部２７が液体燃料の流れを阻害しやすい。加えて、ポンプ２４を用いて液体燃料を燃料分配板２０内に強制的に送ると共に、液体燃料の流速（供給速度）を速くする（流速が５０μＬ／分以上）場合、細管２１の曲線部２７で液体燃料の速度律速が生じやすくなる。速度律速は流速を速くするほど生じやすくなる。
【００３５】
そこで、この実施形態の燃料電池１においては、燃料分配板２０内に設けられる細管２１の曲線部２６の流路形状にクロソイド曲線を適用している。クロソイド曲線を適用した流路形状は曲線部２６の少なくとも直線部２５と接続された部分（繋ぎ目部分）を含む区間に適用される。また、クロソイド曲線で構成された流路形状は全ての曲線部２６に適用することが好ましいが、例えば１０ｍｍを超える曲率半径とすることが可能な曲線部２７は曲率半径が一定の曲線（単一円弧）で構成してもよい。クロソイド曲線を適用した流路形状は少なくとも一部の曲線部２６に適用される。
【００３６】
クロソイド曲線は曲線部２６の曲率半径を直線部２５（曲率半径は無限大）との繋ぎ目部分から徐々に小さくし、最終的に所望の曲率半径とするものである。すなわち、曲線部２６の曲率半径をＲ、曲線部２６の曲線長をＬ、最終的な曲率半径をＲ１としたとき、クロソイド曲線を適用した曲線部２６は、その曲率を直線部２５との繋ぎ目部分の曲率（０）から最終的な曲率（１／Ｒ１）まで、クロソイド曲線の曲率（１／Ｒ＝Ｃ・Ｌ（Ｃは０〜１の範囲の任意の定数）にしたがって徐々に変化させたものである。曲線部２６の曲率が零から徐々に大きくなるため、直線部２５と曲線部２６との繋ぎ目部分による液体燃料の速度律速が緩和される。従って、液体燃料は細管２１内をスムーズに流れる。
【００３７】
図５は曲線部２６にクロソイド曲線を適用した細管２１の一例を示している。細管２１は２つの直線部２５１、２５２を曲線部２７で接続した流路形状を有している。曲線部２７はその中央付近に単一円弧区間（曲率半径がＲ１で一定の曲線区間）２８を有している。そして、曲線部２７の単一円弧区間２８と直線部２５１、２５２との間の区間がそれぞれクロソイド曲線区間（クロソイド曲線（曲率１／Ｒ＝Ｃ・Ｌ）に基づいて曲率が徐々に変化する曲線区間）２９ａ、２９ｂとされている。
【００３８】
曲線部２７のクロソイド曲線区間２９ａ、２９ｂの流路形状について、図５および図６を参照して述べる。図６は単一円弧区間２８とクロソイド曲線区間２９ａ、２９ｂとを有する曲線部２７の曲率１／Ｒと曲線長Ｌとの関係を示している。なお、図５における破線は２つの直線部２５１、２５２を曲率半径がＲ１で一定の曲線部（単一円弧状曲線部）で接続した場合の細管形状を示している。また、図７は曲率半径がＲ１で一定の曲線部３０の曲率１／Ｒ１と曲線長Ｌとの関係を示している。
【００３９】
図５および図６に示すように、クロソイド曲線区間２９ａは直線部２５１との繋ぎ目部分Ｐ１（曲率＝０）から単一円弧区間２８との繋ぎ目部分Ｐ２（曲率＝１／Ｒ１）までの曲率（１／Ｒ）がクロソイド曲線の曲率Ｃ・Ｌ（Ｌ＝０〜１／ＣＲ＝１／Ｒ１）にしたがって変化している。ここで、Ｃは連続的（または断続的）に変化する任意の定数である。クロソイド曲線区間２９ａの曲率１／Ｒは繋ぎ目部分Ｐ１の曲率（０）から徐々に大きくなり、最終的に繋ぎ目部分Ｐ２の曲率（１／Ｒ１）に達する。同様に、クロソイド曲線区間２９ｂの曲率１／Ｒは単一円弧区間２８との繋ぎ目部分Ｐ３の曲率（１／Ｒ１）から徐々に小さくなり、最終的に直線部２５２との繋ぎ目部分Ｐ４の曲率（０）に達する。
【００４０】
このように、２つの直線部２５１、２５２と曲線部２７の単一円弧区間２８との間にそれぞれクロソイド曲線区間２９ａ、２９ｂを設けることによって、直線部２５１、２５２と曲線部２７との繋ぎ目部分Ｐ１、Ｐ４における液体燃料の速度律速が緩和される。このため、曲線部２７においても液体燃料をスムーズに流すことができる。これは分岐を繰り返しつつ複数の燃料排出口１９に接続された細管２１全体に液体燃料がスムーズに流れることを意味する。従って、複数の燃料排出口１９からの燃料の放出性、ひいてはＭＥＡ１３全体への燃料の供給量や供給時間等を均等化することが可能となる。
【００４１】
一方、図５の破線や図７に示すように、２つの直線部２５１、２５２の間を曲率半径がＲ１で一定の曲線部３０で接続した場合、繋ぎ目部分Ｐ１、Ｐ４で曲率が瞬時に変わるため、この部分で液体燃料の速度律速が発生しやすいことが分かる。さらに、細管２１の管径が小さい場合、繋ぎ目部分での速度律速に基づいて僅かな不純物でも目詰まりが生じるおそれがある。これらはＭＥＡ１３全体への燃料の均等供給を阻害する要因となる。クロソイド曲線区間２９ａ、２９ｂを有する曲線部２７は、このようなＭＥＡ１３全体への燃料の均等供給を阻害する要因を解消するものである。
【００４２】
上述したクロソイド曲線区間２９ａ、２９ｂを有する曲線部２７は、特に多数回にわたって分岐（例えば分岐数が５０以上）していると共に、曲線部２７の曲率半径が１．５ｍｍ以下、さらに管径が０．５ｍｍ以下の細管２１に対して有効である。さらに、液体燃料の流速（供給速度）が５０μＬ／分以上の場合についても、クロソイド曲線区間２９ａ、２９ｂを有する曲線部２７が有効に作用する。この実施形態の燃料電池１において、燃料分配板２０は上記したような条件の細管２１を有している。
【００４３】
この実施形態の燃料電池１においては、燃料分配板２０内の細管（燃料流路）２１の曲線部２７の少なくとも一部にクロソイド曲線を適用しているため、曲線部２７を含む細管２１全体の液体燃料の流れを良好に維持することが可能となる。従って、ＭＥＡ１３全体への燃料の供給量や供給時間が均等化され、ＭＥＡ１３全体で効率的に発電反応が生起するため、燃料電池１の出力特性を向上させることができる。すなわち、出力特性やその安定性に優れる燃料電池１を提供することが可能となる。
【実施例】
【００４４】
次に、本発明の燃料電池の具体例およびその評価結果について述べる。
【００４５】
（実施例１）
ここでは外形寸法が５０×９０ｍｍの燃料電池（ＤＭＦＣ）を作製する。このような燃料電池では、燃料分配板の燃料排出口の数は約１２０個、細管の曲線部の数は約２５０箇所必要となる。また、燃料分配板内の細管の最少径は０．０５ｍｍ、曲線部の最少曲率半径は０．８ｍｍとなる。そのような燃料分配板（厚さｔ＝１．８ｍｍ）を細管（最少径ｄ＝０．０５ｍｍ）の曲線部にクロソイド曲線を適用して作製した。この燃料分配板を用いてＤＭＦＣの発電ユニットを作製し、液体燃料としてメタノールをポンプで間欠的に供給して発電試験を行った。
【００４６】
上述した発電試験の結果、実施例１のＤＭＦＣでは燃料が燃料極全体に均等に供給されることが確認された。さらに、燃料分配板の細管で燃料の速度律速や細管の目詰まり等は生じないことが確認された。その結果としてＤＭＦＣの出力特性の向上が認められた。また、燃料分配板の外形寸法は上述したＤＭＦＣの面積Ａ（５０×９０ｍｍ）以内であり、かつ燃料分配板の厚さはｔ（１．８ｍｍ）を満足するものである。
【００４７】
（比較例１）
細管の曲線部に曲率半径が一定の単一円弧曲線（単一Ｒ曲線）を適用する以外は、実施例１と同様にして燃料分配板を作製した。単一円弧曲線の曲率半径Ｒは、上述したＤＭＦＣの外形寸法（面積Ａ）、細管の最少径ｄ、燃料分配板の厚さｔを満足させるように最少Ｒを０．８ｍｍに設定した。このような燃料分配板を用いてＤＭＦＣの発電ユニットを作製し、液体燃料としてメタノールをポンプで間欠的に供給して発電試験を行った。
【００４８】
上述した発電試験の結果、比較例１のＤＭＦＣでは運転当初は燃料が燃料極全体に均等に供給されていたものの、燃料の供給量の増加に伴って細管の曲線部で燃料の速度律速が生じ、一部の燃料排出口から燃料が供給されていないことが確認された。また、その結果としてＤＭＦＣの出力特性の低下が認められた。
【００４９】
（比較例２）
細管の曲線部に曲率半径が一定の単一円弧曲線（単一Ｒ曲線）を適用すると共に、燃料の速度律速や目詰まりを防止するために細管の最少径を０．２ｍｍに設定する以外は、実施例１と同様にして燃料分配板を作製した。このような構成の燃料分配板で燃料排出口の数（約１２０個）を満足させるためには、その外形寸法をＤＭＦＣの外形寸法（面積Ａ）内に収めることができず、また燃料分配板の厚さもｔ以内とすることができなかった。
【００５０】
（比較例３）
細管の曲線部に曲率半径が一定の単一円弧曲線（単一Ｒ曲線）を適用すると共に、燃料の速度律速や目詰まりを防止するために細管の最少径を０．２ｍｍに設定する以外は、実施例１と同様にして燃料分配板を作製した。このような構成の燃料分配板の外形寸法をＤＭＦＣの外形寸法（面積Ａ）内に収めるためには、燃料排出口の数を６０個にまで減らす必要があった。その結果、発電試験で燃料を燃料極全体に均等に供給することができず、ＤＭＦＣの出力特性の低下が認められた。燃料分配板の厚さもｔを超えるものとなった。
【００５１】
（比較例４）
細管の曲線部に曲率半径が一定の単一円弧曲線（単一Ｒ曲線）を適用すると共に、燃料の速度律速や目詰まりを防止するために曲線部の最少Ｒを２ｍｍに設定する以外は、実施例１と同様にして燃料分配板を作製した。このような構成の燃料分配板で燃料排出口の数（約１２０個）を満足させるためには、その外形寸法をＤＭＦＣの外形寸法（面積Ａ）内に収めることができなかった。
【００５２】
（比較例５）
細管の曲線部に曲率半径が一定の単一円弧曲線（単一Ｒ曲線）を適用すると共に、燃料の速度律速や目詰まりを防止するために曲線部の最少Ｒを２ｍｍに設定し、かつ細管の最少径を０．２ｍｍに設定する以外は、実施例１と同様にして燃料分配板を作製した。このような構成の燃料分配板で燃料排出口の数（約１２０個）を満足させるためには、その外形寸法をＤＭＦＣの外形寸法（面積Ａ）内に収めることができず、また燃料分配板の厚さもｔ以内とすることができなかった。
【００５３】
（比較例６）
細管の曲線部に曲率半径が一定の単一円弧曲線（単一Ｒ曲線）を適用すると共に、燃料の速度律速や目詰まりを防止するために曲線部の最少Ｒを２ｍｍに設定し、かつ細管の最少径を０．２ｍｍに設定する以外は、実施例１と同様にして燃料分配板を作製した。このような構成の燃料分配板の外形寸法をＤＭＦＣの外形寸法（面積Ａ）内に収めるためには、燃料排出口の数を６０個にまで減らす必要があった。その結果、発電試験で燃料を燃料極全体に均等に供給することができず、ＤＭＦＣの出力特性の低下が認められた。燃料分配板の厚さもｔ以内とすることができなかった。
【００５４】
上述した実施例１および比較例１〜６の燃料電池（燃料分配板）の構成、寸法および発電試験の結果を表１および表２にまとめて示す。
【００５５】
【表１】
2010108614.tif 000003
【００５６】
【表２】
2010108614.tif 000004
【００５７】
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組合せたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除する等、種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池の燃料供給部の一例を示す斜視図である。
【図３】図９に示す燃料供給部の平面図である。
【図４】図３のＡ部を拡大して示す図である。
【図５】図４に示す細管の曲線部の構成の一例を示す図である。
【図６】図５に示す細管の曲線部における曲率と曲線長との関係を示す図である。
【図７】本発明との比較としての細管の曲線部に単一円弧状曲線（単一Ｒ曲線）を    適用した場合の曲率と曲線長との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１…燃料電池、２…起電部、３…燃料供給部、４…燃料供給機構、５…燃料収容部、６…アノード触媒層、７…アノードガス拡散層、８…アノード（燃料極）、９…カソード触媒層、１０…カソードガス拡散層、１１…カソード（空気極）、１２…電解質膜、１３…ＭＥＡ、１４，１５…集電体、１７…燃料配管、１８…燃料注入口、１９…燃料排出口、２０…燃料分配板、２１…細管、２５…直線部、２６…分岐部、２７…曲線部、２８…単一円弧区間、２９…クロソイド曲線区間。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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